DE3855343T2

DE3855343T2 - Phasengesteuertes Antennensystem für zwei Moden

Info

Publication number: DE3855343T2
Application number: DE3855343T
Authority: DE
Inventors: Harold A Rosen; James D Thompson
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1987-10-23
Filing date: 1988-10-21
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2008-10-22
Also published as: JP2585399B2; EP0313057B1; CA1309172C; JPH01146405A; DE3855343D1; AU2217788A; US4989011A; EP0313057A2; EP0313057A3; AU602244B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein direkt abstrahlendes Gruppenantennensystem, mit:
- einem Array von Strahlungselementen, die so angeordnet sind, daß sie elektromagnetische Strahlung aussenden; und
- einer Verteilungsnetzanordnung mit einer Vielzahl von ersten Anschlüssen und einer Vielzahl von zweiten Anschlüssen, die mit den Strahlungselementen verbunden sind, wobei die Verteilungsnetzanordnung dazu vorgesehen ist, eine Vielzahl von verschiedenen elektromagnetischen Eingangssignalen, die den ersten Anschlüssen zugeführt werden, auf vorbestimmte Weise auf die zweiten Anschlüsse so zu verteilen, daß einzelne Strahlungskeulen von den Strahlungselementen ausgehen, wobei eine erste lineare Kombination der einzelnen Strahlungskeulen, die von dem Array von Strahlungselementen ausgehen, gemeinsam eine erste zusammengesetzte Strahlungskeule bilden, und wobei wenigstens eine zweite lineare Kombination der einzelnen Strahlungskeulen, die von dem Array von Strahlungselementen ausgehen, gemeinsam eine zweite zusammengesetzte Strahlungskeule bilden.
Ein derartiges Gruppenantennensystem ist aus dem Lehrbuch "Introduction to Radar Systems", M.I. Skolnik, 2. Ausgabe, McGraw-Hill, Seiten 310 - 314 bekannt.
Die Erfindung betrifft im allgemeinen Gruppenantennensysteme und betrifft insbesondere Gruppenantennensysteme mit zwei Betriebsarten, die zum Gebrauch in Kommunikationssystemen geeignet sind, die mit Mikrowellenfrequenzen arbeiten, und betrifft darin verwendete passive Netzwerke, die Strahlungskeulen bilden.
Bei Satellitenkommunikationssystemen und anderen mit Mikrowellenfrequenzen arbeitenden Kommunikations systemen ist es bekannt, parabolische Reflektorantennen mit einer und mit zwei Betriebsarten und Gruppenantennen mit einer Betriebsart einzusetzen. Bei vielen Anwendungen werden typischerweise Kommunikationssysteme eingesetzt, die eine Vielzahl von Kanälen in einem vorgegebenen Mikrowellen-Frequenzband aufweisen, wobei jeder Kanal auf einer etwas anderen Frequenz liegt als benachbarte Kanäle. Typischerweise beinhaltet die Implementierung derartiger Mehrfachkanäle die Verwendung eines aneinanderhängenden Multiplexers, der eine Gruppenantenne mit einer Betriebsart ansteuert.
Es ist zur Minimierung der Interferenz zwischen Mikrowellensignalen innerhalb oder in der Nähe desselben Frequenzbereiches bekannt, die elektromagnetische Strahlung zu polarisieren, wobei z.B. einem Signal eine horizontale Polarisierung und dem anderen Signal eine vertikale Polarisierung erteilt wird. In derartigen Systemen werden die zwei Typen oder Betriebsarten von polarisierten Signalen dadurch erreicht, daß zwei, häufig Seite an Seite angeordnete separate Antennensysteme vorgesehen werden, die einen gemeinsamen Reflektor verwenden können, jedoch zwei voneinander getrennte Strahlungs-Arrays mit einer Betriebsart aufweisen. Häufig sind die zwei Antennensysteme so konstruiert, daß sie eine übereinstimmende Bedeckung hinsichtlich des Fernfeldmusters der durch die Antennensysteme erzeugten Strahlungskeulen aufweisen.
Im Gegensatz hierzu ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, eine Technik zum Minimieren der Interferenz zwischen einer Vielzahl von unabhängigen Mikrowellensignalen mit derselben Polarisation bereitzustellen, die gleichzeitig in demselben generellen Frequenzband zu demselben geographischen Ort abgestrahlt werden, wenn jedes der Signale dieselbe Polarisation aufweist. Weiterhin erfordert das Antennensystem der vorliegenden Erfindung nicht den Gebrauch irgendeines Reflektors, sondern verwendet statt dessen typischerweise eine direkt abstrahlende, phasengesteuerte Gruppenantenne bzw. Array-Antenne.
Über Gruppenantennen ist viel bekannt, und sie sind Gegenstand eines steigenden intensiven Interesses. Phasengesteuerte Gruppenantennen werden heutzutage als die bevorzugte Antenne für eine Anzahl von Anwendungen angesehen, insbesondere Anwendungen, die Anforderungen an die Fähigkeit zu Mehrfachfunktionen stellen. Gruppenantennen haben eine hohe Leistungsfähigkeit, eine breite Bandbreite und die Fähigkeit, nachteiligen Umweltbedingungen zu widerstehen. Die mathematischen Grundlagen des Betriebs von Gruppenantennen sind in einer Anzahl von Dokumenten analysiert worden. Siehe zum Beispiel L. Stark, "Microwave Theory of Phased-Array Antennas - A Review", Proceedings of the IEEE, Band 62, Nr. 12, Seiten 1661 - 1701 (Dezember 1974) und die darin zitierte Literatur.
Zum Aufbau von Gruppenantennen sind verschiedene Kombinationen von Strahlungselementen, Phasenschiebern und Speisesystemen eingesetzt worden. Die Arten von verwendeten Strahlungselementen umfaßten Hörner, Dipole, helixförmige Antennen, Wendelantennen, Mehrstabantennen, Parabolscheiben und andere Arten von Antennenstrukturen. Die Typen von Phasenschiebevorrichtungen umfaßten Ferrit-Phasenschieber, p-i-n-Halbleiterdiodenvorrichtungen und andere. Die Speisesysteme umfaßten Raumspeise vorrichtungen, die die Ausbreitung im freien Raum verwenden, und begrenzte Speisevorrichtungen, die Speiseleitungstechniken zum Leiten von Signalen von den Elementen des Arrays zu dem zentralen Speisepunkt verwenden. Die begrenzten Speisevorrichtungen setzen typischerweise Leistungsteiler ein, die durch Speiseleitungen miteinander verbunden sind. Die Zahl und der Typ der verwendeten Leistungsteiler hängen von dem genauen Zweck ab, zu dem diese eingesetzt werden sollen, wobei der Leistungspegel und die Dämpfung berücksichtigt werden. Die Typen von begrenzten Speisevorrichtungen umfassen duale serielle Speisevorrichtungen, Corporate-Speisevorrichtungen mit Hybridverzweigung, Strahlungskeulen formende Matrizen mit Parallelspeisung, wie die Butler-Matrix und andere. Große Arrays verwendeten manchmal ein Speisesystem, das eine Butler-Matrix aufweist, die Unterarrays von Phasenschiebern speist. Soweit sich die Erfinder derzeit bewußt sind, sind all diese Merkmale für phasengesteuerte Arrays mit einer Betriebsart entwickelt worden.
Die Entwicklung der Butler-Matrix in den frühen 60er Jahren führte zu einer Anzahl von generellen Untersuchungen der Bedingungen für die Orthogonalität einer Antennenstrahlungskeule und der Konsequenzen von Strahlungskeulenkorrelation an den Eingangsanschlüssen der Strahlungskeule. In J. Allen, "A Theoretical Limitation on the Formation of Lossless Multiple Beams in Linear Arrays", IRE Transactions on Antennas and Propagation, Band AP-9, Seiten 350 - 352 (Juli 1961), wird berichtet, daß für eine passive, reziproke Strahlungskeulen formende Matrix, die einen Array von gleichförmig beabstandeten Strahlern zur Bildung von gleichzeitigen Einzelstrahlungskeulen auf verlustlose Weise ansteuert, die Formen der einzelnen Strahlungskeulen derart sein müssen, daß die Gruppencharakteristika für die Zeitspanne einer Periode der Gruppencharakteristikmuster orthogonal zueinander sind. Der Begriff "Gruppencharakteristik" bezieht sich hier auf das komplexe Fernfeld eines Arrays von isotropen Strahlern. Allen zeigt insbesondere, daß die einem Eingangsanschluß zugeordneten Array-Anregungen orthogonal zu den Array-Anregungen jedes anderen Eingangsanschlusses sein müssen. Wenn zwei Netzwerkeingänge mit a und b bezeichnet werden und wenn die entsprechenden Anregungen bei dem i-ten Element des Arrays ai bzw. bi sind, dann sind diese Anregungen orthogonal, wenn
wobei i* der komplex-konjugierte Ausdruck von i ist.
Allen zeigt weiterhin, daß jeder Eingangsanschluß einer einzelnen Strahlungskeule entspricht und daß aufgrund der Tatsache, daß die Array-Anregungen von einem Anschluß orthogonal zu jenen aller anderen Anschlüsse sind, die einem Anschluß zugeordnete einzelne Strahlungskeule dann orthogonal zu allen anderen einzelnen Strahlungskeulen ist, die anderen Anschlüssen zugeordnet sind. In S. Stein, "On Cross Coupling in Multiple-Beam Antennas", IRE Transactions on Antennas and Propagation, Band AP-10, Seiten 548 - 557 (September 1962), wird eine detaillierte Analyse der Kreuzkopplung zwischen einzelnen Strahlungselementen eines Arrays als Funktion des komplexen Kreuz-Korrelationskoeffizienten des entsprechenden Fernfeldmusters der Strahlungskeule dargestellt. In dem Artikel von Stein werden verlustlose reziproke Speisesysteme besonders hervorgehoben.
In jedem der obenstehenden Dokumente werden nur Arrays mit einer Betriebsart erörtert. Die von einem einzelnen Array mit einer Betriebsart erzeugte, zusammengesetzte Strahlungskeule wird typischerweise aus einer Vielzahl von einzelnen Strahlungskeulen gebildet, die jeweils einem der Strahlungselemente des Arrays zugeordnet sind, und zwar durch konstruktive und destruktive Interferenz zwischen den einzelnen Strahlungskeulen, wobei die Interferenz hauptsächlich, wenn nicht ganz, im Raum auftritt. Selbst bei Gruppenantennensystemen, die zur Schaffung von Mehrfach-Kommunikationskanälen einen Multiplexvorgang mit Vielfachzugriff in der Frequenz- oder Zeitebene einsetzen, ist die erzeugte, zusammengesetzte Strahlungskeule von der Sorte mit einer Betriebsart bzw. einem Modus, da nur ein informationstragendes Eingangssignal an das Speisenetzwerk geliefert wird, das den Antennen-Array ansteuert. Darüber hinaus benutzen alle einzelnen Strahlungskeulensignale und somit auch der zusammengesetzte Strahl eine gemeinsame elektromagnetische Polarisation.
In dem gemeinschaftlich übertragenen US-Patent Nr.3,668,567 von H.A. Rosen hat ein Mikrowellendrehkoppler mit zwei Betriebsarten, der einen ersten und einen zweiten drehbar gelagerten Rundhohlleiterabschnitt aufweist, eine erste Einrichtung zum Einspeisen von sich gegenläufig drehenden, zirkular polarisierten Signalen in den ersten Hohlleiterabschnitt und eine zweite Einrichtung zum Bereitstellen eines ersten und eines zweiten linear polarisierten Ausgangssignals an einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluß. Der Mikrowellenkoppler stellt eine verbesserte und verläßliche Koppeleinrichtung zum Anlegen eines Paars von Ausgangssignalen von einem sich drehenden Sender- /Multiplexersystem durch ein drehbares Verbindungsstück an ein Paar von Eingangsanschlüssen eines entdrehten bzw. nicht drehenden Antennensystems dar, derart, daß die Signale während der Übertragung durch den Koppler isoliert werden, wodurch die Konstruktion des Multiplexersystems vereinfacht wird. Die an die zwei Eingangsanschlüsse eines Antennensystems mit zwei Hornstrahlern angelegten Signale haben eine Phasenverschiebung von 90 Grad zueinander und jedes enthält Komponenten von beiden Ausgangssignalen. Das Merkmal zweier Betriebsarten bzw. zweier Modi bezieht sich überwiegend darauf, zwei unabhängige Antennenanschlüsse bereitzustellen, wobei jeder dasselbe Verstärkungsmuster und denselben Polarisationssinn bereitstellt, wobei sie jedoch quer zu dem Muster unterschiedliche Phasenfortschreitungssinne aufweisen.
In dem gemeinschaftlich übertragenen US-Patent Nr. 4,117,423 von H.A. Rosen wird ein ähnlicher aber hochwertigerer Mehrphasen- Leistungsteiler mit zwei Betriebsarten offenbar, der zwei Eingangsanschlüsse und N Ausgangsanschlüsse aufweist, wobei N typischerweise eine ungerade Integerzahl ist. Der Leistungsteiler stellt eine Technik bereit, um zwei isolierte Anschlüsse einer einzelnen Antenne mit dem Signal von jedem Eingangsanschluß zu versorgen, was eine Betriebsart bzw. ein Modus genannt wird, und für jede der zwei Betriebsarten nahezu das gleiche Strahlungskeulenmuster der gleichen Polarisation, jedoch mit einem entgegengesetzten Phasenfortschreitungssinn zu erzeugen. Wie in dem zuvor erwähnten Patent werden gegenläufig drehende, zirkular polarisierte Signale von den Eingangsanschlüssen über ein Rundhohlleiterelement in die Ausgangsanschlüsse gespeist. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine Scheidewand mit N Klingen nahe dem zweiten bzw. Ausgangsende eines Rundhohlleiterelementes angeordnet, um die Leistungsteilung und die Impedanzanpassung zwischen den N Ausgangsanschlüssen zu verbessern.
In beiden dieser Patente sind die Ausgangsanschlüsse mit einer Vielzahl von linear angeordneten Offset-Speisevorrichtungen im Brennpunktbereich des Reflektors verbunden. Um ein Fernfeldmuster mit derselben Bedeckung bereitzustellen, werden Ausgangssignale mit gleicher und entgegengesetzter Phasenfortschreitung äquidistant von dem Brennpunkt des Reflektors und auf entgegengesetzten Seiten desselben angeordnet. Nur durch Verwendung einer solchen außermittigen Speisevorrichtungskonstruktion in Verbindung mit einem geeigneten (z.B. parabolischen) Reflektor können die in diesen zwei Patenten beschriebenen Ubertragungssysteme zwei Betriebsarten bereitstellen, die im wesentlichen dieselbe Bedeckung aufweisen. Es ist ebenfalls bemerkenswert, daß die Anregungskoeffizienten der Ausgangssignale alle die gleiche Amplitude haben und sich nur hinsichtlich der Phase unterscheiden.
Nach unserem besten Wissen hat niemand ein direkt abstrahlendes Gruppenantennensystem entwickelt oder vorgeschlagen, das dazu ausgelegt werden kann, einen Betrieb mit zwei Betriebsarten zu gestatten. Vorliegend soll sich der Begriff "zwei Betriebsarten" des Betriebs auf die gleichzeitige Übertragung (oder den gleichzeitigen Empfang) von zwei (oder mehr) unterschiedlichen, zusammengesetzten Fernfeldstrahlungskeulen desselben Polarisationssinnes in dem gleichen generellen Frequenzband beziehen, wobei die zusammengesetzten Strahlungskeulen unterschiedliche elektromagnetische Eigenschaften haben, so daß diese leicht voneinander unterschieden werden können.
Zusammenfassend ist es prinzipiell von Allen (siehe oben) bekannt, daß eine Vielzahl von unabhängigen Strahlungskeulen unter Verwendung eines einzelnen linearen Arrays gebildet werden kann, der durch ein Strahlungskeulen bildendes Netzwerk angeregt wird, das orthogonale Koeffizienten realisiert. Beispiele solcher Systeme, bei denen die unabhängigen Strahlungskeulen unterschiedliche Fernfeld-Strahlungsmuster haben, sind in dem oben erwähnten Lehrbuch von Skolnik, in der US-A-4 245 223 und in dem oben erwähnten Artikel von Allen offenbart, wobei lineare Arrays durch Butler- oder Blass-Matrizen gespeist werden.
Demgemäß ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gruppenantennensystem bzw. Array-Antennensystem mit zwei Betriebsarten zu schaffen, das für zwei zusammengesetzte Strahlungskeulen im wesentlichen identische Fernfeld-Strahlungsmuster erzeugen kann, wobei die Anregungskoeffizienten der Strahlungskeulen mathematisch orthogonal zueinander sind. Es ist eine weitere Aufgabe, ein im wesentlichen verlustfreies reziprokes beschränktes Speisesystem für eine solche Arrayantenne mit zwei Betriebsarten in der Form eines Verteilungsnetzwerkes zu schaffen, das aus passiven leistungsteilenden Einrichtungen und Phasenschiebereinrichtungen gebildet ist, die durch einfache Übertragungleitungen miteinander verbunden sind. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein solches Verteilungsnetzwerk anzugeben, das einen einzelnen Trenn-Eingangsanschluß oder einen einzelnen Trenn-Ausgangsanschluß für jedes unterschiedliche informationstragende Signal aufweist, das von dem Gruppenantennensystem zu übertragen (oder zu empfangen) ist.
Gemäß dem eingangs erwähnten Gruppenantennensystem wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Verteilungsnetzanordnung so ausgelegt ist, daß von dem Array wenigstens zwei unterscheidbare, unabhängige, zusammengesetzte Strahlungskeulen elektromagnetischer Strahlung mit im wesentlichen demselben Fernfeldstrahlungsmuster ausgehen.
In dem oben erwähnten Artikel sprach Allen die Orthogonalitätsanforderungen einzelner Strahlungskeulen an, wobei mehrfache einzelne Strahlungskeulen aus einem gemeinsamen Array von Elementen erzeugt wurden, die mit einem Netzwerk mit mehrfachen Anschlüssen verbunden waren. Mit dieser Erfindung heben wir uns von Allen ab durch Verwendung einer linearen Kombination einzelner Strahlungskeulen, um eine zusammengesetzte Strahlungskeule zu bilden. Insbesondere bildet eine erste lineare Kombination von Strahlungskeulen eine erste zusammengesetzte Strahlungskeule, die wir geeigneterweise Betriebsart A nennen. Eine zweite lineare Kombination derselben einzelnen Strahlungskeulen bilden eine zweite zusammengesetzte Strahlungskeule, die wir geeigneterweise Betriebsart B nennen. Eine Schlüsselaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, aus einem gemeinsamen, direkt abstrahlenden Array dieselbe zusammengesetzte Bedeckung für beide Strahlungskeulen der Betriebsart A und der Betriebsart B zu schaffen. Dies kann erreicht werden, wenn die Betriebsarten A und B orthogonal zueinander sind, was bedeutet, daß die Array-Anregungen für die Betriebsart A orthogonal zu den Anregungen für die Betriebsart B sind. Dies wird erreicht, wenn:
wobei N die Anzahl der Strahlungselemente in dem Array ist, wobei i und i lineare Kombinationen von Anregungswerten sind, die den einzelnen Strahlungskeulen zugeordnet sind, die von dem Array erzeugt werden, und wobei i* der komplex-konjugierte Wert von i ist. Bekannterweise kann die Anregung des i-ten Elements für eine zusammengesetzte Strahlungskeule durch eine Reihe von m einzelnen Anregungskoeffizienten wie folgt beschrieben werden (wobei m kleiner oder gleich der Anzahl N von Elementen in dem Array ist):
In den Gleichungen (3) und (4) sind i bis i die Anregungen für die einzelnen Strahlungskeulen a bis z (wobei z kleiner gleich N ist), und jeder Koeffizient "x" oder "y" hat eine Amplitude und einen Phasenwinkel. Jeder Koeffizent kann positiv oder negativ und real oder komplex sein. Es ist anzumerken, daß Gleichung (2) allgemeiner ist als Gleichung (1) (d.h. sie läßt mehr Freiheitsgrade beim Konstruieren des Verteilungsnetzwerkes zu als Gleichung (1)), dagleichung (1) erfordert, daß die Summe der spezifizierten Kreuz-Produkte der einzelnen Strahlungskeulen Null ist, wohingegen Gleichung (2) gestattet, daß dieselben Kreuz-Produkte nicht Null sind und lediglich erfordert, daß die Summe aller spezifizierten Kreuz-Produkte von allen einzelnen Strahlungskeulen Null ist, die den zwei Betriebsarten A und B zugeordnet sind.
In Anbetracht der vorstehenden Aufgaben wird gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Gruppenantennensystem bzw. Array- Antennensystem zur gleichzeitigen Übertragung oder zum gleichzeitigen Empfang von wenigstens zwei unterschiedlichen zusammengesetzten Strahlungskeulen elektromagnetischer Strahlung geschaffen, die dieselbe Polarisation haben, in demselben generellen Mikrowellenfrequenzbereich liegen und mathematisch orthogonal zueinander sind. Dieses Gruppenantennensystem umfaßt: einen Array von Elementen, die in direkter elektromagnetischer Verbindung mit den Strahlungskeulen stehen; und eine Verteilungseinrichtung, die in direkter elektromagnetischer Verbindung mit den Elementen des Arrays steht und wenigstens zwei erste Anschlüsse zum Ausführen von wenigstens zwei gleichzeitigen Umwandlungen von den Strahlungskeulen zugeordneter, elektromagnetischer Energie aufweisen, wobei diese Energie zwischen den Elementen und den zwei Anschlüssen übertragen wird. Die Verteilungseinrichtung und insbesondere der Satz von hierdurch durchgeführten gleichzeitigen Übertragungen ermöglichen, daß jede der zwei verschiedenen Strahlungskeulen eindeutig einem verschiedenen informationstragenden Signal zugeordnet werden, das an den ersten Anschlüssen anliegt. Bei den bevorzugten Ausführungsformen ist die Verteilungseinrichtung so ausgelegt, daß die zwei gleichzeitigen Umwandlungen es ermöglichen, daß jede der zwei Strahlungskeulen eindeutig einem verschiedenen informationstragenden Signal zugeordnet wird, das an einem unterschiedlichen der zwei ersten Anschlüsse anliegt. Auf diese Weise liegt ein einer Strahlungskeule zugeordnetes, informationstragendes Signal nur an einem der zwei Anschlüsse an, wohingegen das andere, der anderen Strahlungskeule zugeordnete informationstragende Signal lediglich an dem anderen der zwei Anschlüsse anliegt. Bei den bevorzugten Ausführungsformen ist die Verteilungseinrichtung eine verlustlose, reziproke, begrenzte Speisevorrichtungsstruktur oder ein aus passiven Bauteilen gebildetes, Strahlungskeulen formendes Netzwerk, und das Antennensystem kann als ein phasengesteuertes Array betrieben werden, wenn dies gewünscht ist.
Als direkt abstrahlendes Gruppenantennensystem kann die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung alternativerweise und mehr im einzelnen als folgendes aufweisend beschrieben werden: einen Array von Strahlungselementen, die so angeordnet sind, daß sie elektromagnetische Strahlung aussenden, und eine Verteilungsnetzeinrichtung bzw. -anordnung zum Verteilen einer Vielzahl von verschiedenen, den Eingangsanschlüssen der Netzanordnung zugeführten elektromagnetischen Signalen auf eine vorbestimmte Art und Weise auf die Ausgangsanschlüsse der Netzanordnung, derart, daß wenigstens zwei unterscheidbare, unabhängige, zusammengesetzte Strahlungskeulen elektromagnetischer Strahlung mit im wesentlichen demselben Fernfeldstrahlungsmuster von den Strahlungselementen ausgehen. Die Verteilungsnetzanordnung kann betriebsmäßig so angeordnet sein, daß sie eines der Eingangssignale an einem der Eingangsanschlüsse und ein weiteres der Eingangssignale an einem anderen der Eingängsanschlüsse empfängt. Sie kann auch betriebsmäßig so angeordnet sein, daß eine erste lineare Kombination einzelner Strahlungskeulen, die von dem Array von Strahlungselementen ausgehen, zusammen eine erste der zusammengesetzten Strahlungskeulen bilden, und daß eine zweite lineare Kombination einzelner Strahlungskeulen, die von dem Array von Strahlungselementen ausgehen, zusammen eine zweite der zusammengesetzten Strahlungskeulen bilden. Die Verteilungsnetzanordnung ist betriebsmäßig so angeordnet, daß die Array-Anregungen, die die ersten zusammengesetzten Strahlungskeulen bilden, und die Array-Anregungen, die die zweiten zusammengesetzten Strahlungskeulen bilden, mathematisch orthogonal zueinander sind.
Als empfangendes Gruppenantennensystem, das einen Teil von jeder von wenigstens zwei zusammengesetzten Strahlungskeulen elektromagnetischer Strahlung in demselben generellen Frequenzbereich und mit derselben Polarisation empfängt, die von einer entfernten Sendestation gesendet werden, kann die bevorzugte Ausführungsform etwas unterschiedlich als folgendes aufweisend beschrieben werden: eine Vielzahl von Elementen, die jeweils dazu ausgelegt sind, einen Teil von jeder von wenigstens zwei unabhängigen Strahlungskeulen elektromagnetischer Strahlung zu empfangen, und eine Netzwerkeinrichtung bzw. Netzanordnung mit einer Vielzahl von ersten Anschlüssen, die mit den Elementen verbunden sind, und einer Vielzahl von zweiten Anschlüssen zum Auftrennen der zwei zusammengesetzten Strahlungskeulen, die von den Elementen empfangen werden, in wenigstens zwei verschiedene Signale, die jeweils an verschiedene der zweiten Anschlüsse ausgegeben werden, wobei jedes derartige unterschiedliche Signal von einer verschiedenen der Strahlungskeulen abgeleitet wird.
Diese und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich durch Studium der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Figuren und den beigefügten Ansprüchen.
In der beigefügten Zeichnung ist:
Figur 1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines ersten Beispiels eines direkt abstrahlenden Gruppenantennensystems mit zwei Betriebsarten der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ein detailliertes Blockdiagramm einer bevorzugten Verteilungsnetzanordnung zur Verwendung in dem System von Figur 1;
Figur 3 eine vereinfachte Seitenansicht eines Arrays aus vier Strahlungselementen, die in dem Antennensystem der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, wobei Figur 3 den Abstand zwischen den Zentren der Strahlungselemente zeigt;
Figur 4 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines zweiten Beispiels eines direkt abstrahlenden Gruppenantennensystems der vorliegenden Erfindung, wobei das System einen Array aus 32 Strahlungselementen, die in einer ebenen 4 x 8-Matrix angeordnet sind, und ein begrenztes Speisevorrichtungssystem für den Array aufweist, das aus einer einzeiligen Verteilungsnetzanordnung und einer vierspaltigen Verteilungsnetzanordnung besteht;
Figur 5 eine vereinfachte Draufsicht auf den Array aus 32 Strahlungselementen des Gruppenantennensystems von Figur 4;
Figur 6 eine vereinfachte Ansicht des kontinentalen Teils der Vereinigten Staaten mit dessen Grenze, wobei der Ansicht ein Graph aus ausgewählten Konturen konstanter Verstärkung der Strahlungskeulenbedeckung überlagert ist, die durch das Antennensystem von Figur 4 geschaffen wird;
Figur 7 eine Tabelle von Array-Anregungswerten, die dem Array aus 32 Elementen von Figur 5 zugeordnet ist;
Figur 8 ein detailliertes Blockdiagramm der Reihen-Verteilungsnetzanordnung für das System von Figur 4;
Figur 9 eine Tabelle von Verteilungsparametern, die dem Netzwerk von Figur 8 zugeordnet sind;
Figur 10 eine repräsentative Spalten-Verteilungsnetzanordnung des Systems von Figur 4; und
Figur 11 eine Tabelle der Verteilungsparameter des Netzwerkes von Figur 10.
In Figur 1 ist ein Gruppenantennensystem 20 mit zwei Betriebsarten der vorliegenden Erfindung gezeigt, das einen Array 22 aus vier Strahlungselementen 24, 26, 28 und 30 und eine Speiseeinrichtung 32 umfaßt. Die Elemente 24 - 30 können von jedem geeigneten oder herkömmlichen Typ sein, wie Hörner, Dipole, Wendel-, Spiralantennen, Mehrfachstäbe und parabolische Scheiben. Die Wahl des Strahlungselementtyps ist für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich und kann auf der Grundlage von üblichen Faktoren wie dem Frequenzband, dem Gewicht, der Robustheit, der Verkapselung und dgl. vorgenommen werden. Die Speiseeinrichtung 32 ist vorzugsweise eine Verteilungsnetzanordnung bzw. ein Verteilungsnetzwerk jenes Typs, der nunmehr kurz beschrieben wird. Die Verteilungsnetzanordnung 32 umfaßt vier Anschlüsse 34, 36, 38 und 40, die direkt mit den Elementen 24, 26, 28 und 30 verbunden sind, wie es in der Figur gezeigt ist. Das Netzwerk 32 umfaßt auch zwei Anschlüsse 42 und 44, die als Eingangsanschlüsse A und B dienen, wenn das System 20 als eine Sendeantenne arbeitet (und die als Ausgangsanschlüsse A und B dienen, wenn das System 20 als Empfangsantenne arbeitet).
Figur 2 zeigt ein detailliertes Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform für das Verteilungsnetzwerk 32, das einer Butler- Matrix mit vier Anschlüssen ähnelt, jedoch keine ist, da es sich hinsichtlich der Konstruktion und der Funktion von einer Butler-Matrix unterscheidet. Das Netzwerk 32, das manchmal auch als Strahlungskeulen formendes Netzwerk bezeichnet wird, umfaßt vier signalaufteilende Bauteile oder Richtungskoppler 52, 54, 56 und 58. Das Netzwerk 32 umfaßt auch zwei Phasenschiebebauteile 60 und 62. Die Bauteile 52 - 58 sind in zwei Stufen 64 und 66 angeordnet, die jeweils zwei Bauteile enthalten. Nach Notwendigkeit werden herkömmliche oder gewöhnliche Verbindungsleitungen 70 - 88 verwendet, um im wesentlichen verlustlose Verbindungen zwischen den verschiedenen Bauteilen und Anschlüssen innerhalb des Netzwerkes 32 zu schaffen. Vorliegend hat der Begriff "Verbindungsleitung" die Bedeutung eines passiven, ein elektromagnetisches Signal führenden Bauteils wie ein Leiter, ein Hohlleiter, eine Streifenleitung oder dgl. Ob eine Verbindungsleitung benötigt wird, hängt natürlich von dem genauen Typ und dem Layout des Verteilungsnetzwerkes und dem Ort der verschiedenen Bauteile innerhalb des Layouts ab. Derartige Details sind Fachleuten bekannt und müssen daher nicht erörtert werden. auf ähnliche Weise können Verbindungsleitungen nach Notwendigkeit vorgesehen werden, um Verbindungen für elektromagnetische Signale zwischen den Anschlüssen 34 - 40 und deren jeweiligen Speiseelementen 24 - 30 zu schaffen.
Die signalaufteilenden Bauteile 52 - 58, die in dem Netzwerk 32 von Figur 2 verwendet werden, sind vorzugsweise Hybridkoppler, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Die Hybridkoppler können von jedem geeigneten oder herkömmlichen Typ sein, der für die Frequenz der hierdurch zu leitenden Signale ausgelegt ist, wie die 3 dB-Sorte mit einer 90-Grad-Phasenverzögerung zwischen diagonalen Anschlußklemmen. Bei den Hybridkopplern 52 und 54 werden nur drei der vier Anschlußklemmen jedes Bauteils verwendet. Die Anschlußklemme 92 des Kopplers 52 wird nicht verwendet, wird aber statt dessen durch irgendeine geeignete Technik wie eine herkömmliche Widerstandslast 96 abgeschlossen. Auf ähnliche Weise wird die Anschlußklemme 94 des Kopplers 54 nicht verwendet, sondern wird statt dessen durch irgendeine geeignete Technik wie eine Widerstandslast 98 abgeschlossen.
Die Phasenschiebebauteile 60 und 62 sind von einem Typ mit +90 Grad Phasenverschiebung (Phasenvoreilung), wenn phasenverzögernde Hybridkoppler indem Netzwerk 32 eingesetzt werden. Die Bauteile 60 und 62 können von jedem geeignete Typ sein, der geeignet ist für das Frequenzband der durch diese gehenden Signale.
Wenn das Gruppenantennensystem 20 als Sendeantennensystem arbeitet, wird ein erstes informtionstragendes Eingangssignal mit geeigneter Mittenfrequenz und Bandbreite an den Anschluß 42 (Eingang A) angelegt. Das Verteilungsnetzwerk 32 verteilt das Signal derart, daß ein erster Satz von vier Signalen an den Ausgangsanschlüssen 34 - 40 des Netzwerkes 32 erzeugt wird und die Strahlungselemente 24 - 30 anregt, einen ersten Satz von vier einzelnen Strahlungskeulen elektromagnetischer Strahlung zu erzeugen, die sich im Raum ausbreiten. Diese vier Strahlungskeulen können die einzelnen Strahlungskeulen der Betriebsart A genannt werden und können mathematisch teilweise durch einen ersten Satz von Anregungskoeffizienten a&sub1; bis a&sub4; beschrieben werden. Wenn ein zweites informationstragendes Signal mit geeigneter Mittenfrequenz und Bandbreite an den Anschluß 44 (Eingang B) angelegt wird, verteilt das Netzwerk 32 das Signal derart, daß ein zweiter Satz von vier Signalen an den Ausgängen 34 - 40 erzeugt wird und die Strahlungselemente 24 - 30 dazu anregt, einen zweiten Satz von vier einzelnen Strahlungskeulen zu erzeugen. Diese vier Strahlungskeulen können die einzelnen Strahlungskeulen der Betriebsart B genannt werden und können mathematisch teilweise durch einen zweiten Satz von Anregungskoeffizienten b&sub1; bis b&sub4; beschrieben werden. Die zwei Sätze von vier Anregungskoeffizienten sind in Figur 1 in geeigneter Weise über ihren jeweiligen Ausgangsanschlüssen und Strahlungselementen dargestellt. Diese zwei Sätze von vier einzelnen Strahlungskeulen haben Anregungskoeffizienten, die mathematisch orthogonal zueinander sind, wie es nachstehend genauer erläutert wird.
Die vier einzelnen Strahlungskeulen von jedem Satz von Strahlungskeulen, die von den Speiseelementen 24 - 30 ausgehen, kombinieren im Raum miteinander, so daß sie eine zusammengesetzte elektromagnetische Strahlungskeule bilden. Die erste zusammengesetzte Strahlungskeule (die zusammengesetzte Strahlungskeule der Betriebsart A), die durch die vier einzelnen Strahlungskeulen des ersten Satzes erzeugt wird, unterscheidet sich von und ist vorzugsweise orthogonal zu der zusammengesetzten elektromagnetischen Strahlungskeule (die zusammengesetzte Strahlungskeule der Betriebsart B), die von den vier einzelnen Strahlungskeulen des zweiten Satzes erzeugt wird.
Ein wichtiger Aspekt und Vorteil des Gruppenantennensystems der vorliegenden Erfindung liegt in dessen Fähigkeit, zwei zusammengesetzte Strahlungskeulen elektromagnetischer Strahlung zu erzeugen, die identische (oder im wesentlichen identische) Strahlungsmuster für Eingangssignale vergleichbarer Frequenz und Bandbreite haben, die an die zwei Eingangsanschlüsse 42 und 44 des Netzwerkes 32 angelegt werden. Das System 20 ist insbesondere vorteilhaft, da es zwei Eingangsanschlüsse 42 und 44 aufweist und daß bei allen vorgegebenen, an diese Anschlüsse angelegten Signalen die sich ergebenden zusammengesetzten Strahlungskeulen identische Fernfeldstrahlungsmuster haben werden. Dieses Merkmal zweier Anschlüsse hat eine wichtige Bedeutung beim Kanal-Multiplexen von kanalisierten Kommunikationssystemen, da die Eingangssignale für die ungeradzahligen Kanäle in einen Eingangsanschluß laufen können, wohingegen die Eingangssignale für die geradzahligen Signale bzw. Kanäle in den anderen Eingangsanschluß laufen können. Diese Anordnung erfordert eine Ausrüstung zum Multiplexen, die einfacher ist als ein aneinanderhängender Multiplexer, der mit einer Array- Antenne mit einem Eingangsanschluß und einer Betriebsart arbeitet, und die auch einfacher ist als ungeradzahlige und geradzahlige Multiplexer, die mit zwei Arrays mit einer Betriebsart arbeiten.
Die technischen Prinzipien des Betriebs des Gruppenantennensystems 20 mit zwei Betriebsarten wird nun beschrieben. Die Betriebsart A ist die Betriebsart, die durch das am Eingangsanschluß A angelegte Signal erzeugt wird. Die Betriebsart B ist die Betriebsart, die durch das am Eingangsanschluß B angelegte Signal erzeugt wird. Für die meisten Anwendungen ist es wünschenswert, daß die zusammengesetzten Strahlungskeulen der zwei Betriebsarten dasselbe Fernfeldstrahlungsmuster haben. Dies wird erreicht, wenn die Anregungskoeffizienten für die Betriebsart B das Spiegelbild jener der Betriebsart A sind, wenn mit anderen Worten die folgenden Bedingungen erfüllt werden:
Um ein realisierbares Verteilungsnetzwerk 32 zu schaffen, müssen die Anregungskoeffizienten für die Betriebsart A mathematisch orthogonal zu jenen der Betriebsart B sein. Dies kann durch folgende Formel ausgedruckt werden:
Der Stern in Gleichung (6) zeigt an, daß die Anregung " i*" der komplex-konjugierte Wert der Anregung " i" ist.
Bei unserem ersten Konstruktionsbeispiel begrenzen wir die Anregungskoeffizienten auf reale (entweder positive oder negative) Anregungskoeffizienten anstelle von komplexen Anregungskoeffizienten, um das Beispiel relativ einfach zu halten. In dieser Situation reduziert sich der obige Ausdruck zu:
a&sub1;a&sub4; + a&sub2;a&sub3; = 0 (7)
was alternativ ausgedrückt werden kann als:
a&sub1;/a&sub2; = - a&sub3;/a&sub4; (8)
Diese Beziehung wird relativ einfach erfüllt. Beispielsweise können die folgenden Koeffizienten für die zwei Betriebsarten ausgewählt werden.
FÜR Betriebsart A: a&sub1; = a&sub2; = a&sub3; = 0,5 und a&sub4; = -0,5 (9)
FÜR Betriebsart B: b&sub1; = -0,5 und b&sub2; = b&sub3; = b&sub4; = 0,5 (10)
Das in Figur 2 gezeigte Verteilungsnetzwerk 32 erfüllt die Bedingungen der Gleichungen (9) und (10).
Die Gruppencharakteristik (Array-Faktor) für die zwei Betriebsarten kann leicht aus der in Figur 3 gezeigten Array- Geometrie bestimmt werden. Für die Betriebsart A ist die Gruppencharakteristik
EA = 0,5 (ejµ + e-jµ + ej3µ - e-j3µ) (11)
was umgeschrieben werden kann zu:
EA = COS(µ) + j SIN(3µ) (12)
Auf ähnliche Weise ist die Gruppencharakteristik für die Betriebsart B gegeben durch:
EB = COS(µ) - j SIN(3µ) (13)
In den Gleichungen (11) bis (13) ist das Symbol µ der normierte Antennenparameter, dessen Wert durch die folgende Formel gegeben ist:
µ = (πd SIN θ) / λ (14)
wobei λ die Signalwellenlänge ist, wobei θ der Abtastwinkel der Strahlungskeule ist, der in Figur 3 gezeigt ist, und wobei d der Abstand zwischen den Strahlungselementen ist. Da das Fernfeldstrahlungsmuster für eine zusammengesetzte Strahlungskeule, die durch einen Array von gleichmäßig beabstandeten Strahlern erzeugt wird, proportional zum Quadrat der Amplitude der Gruppencharakteristik ist, haben die Betriebsarten A und B dasselbe Fernfeldstrahlungsmuster.
Unter Verwendung der Prinzipien des oben beschriebenen Betriebs, insbesondere der durch Gleichung (2) ausgedrückten Prinzipien, können Verteilungsnetzwerke für größere Arrays wie Arrays mit 8, 16, 32 und mehr Elementen leicht konstruiert werden. Der generelle Ausdruck für die Gruppencharakteristik für die Betriebsart A eines Arrays mit einer willkürlichen geradzahligen Anzahl N von Elementen ist:
wobei k = N/2. Dies kann wie folgt umgestellt werden:
Die Gruppencharakteristik für die Betriebsart B eines Arrays mit einer willkürlichen geradzahligen Anzahl von Elementen ist:
Der generelle Ausdruck für die Gruppencharakteristik für die Betriebsart A eines Arrays mit einer willkürlichen ungeradzahligen Anzahl N von Elementen ist:
wobei L = (N+1)/2. Die Gruppencharakteristik für die Betriebsart B eines Arrays mit einer willkürlichen ungeradzahligen Anzahl N von Elementen ist:
Die Array-Technologie mit zwei Betriebsarten unserer Erfindung kann noch besser anhand eines zweiten Konstruktionsbeispiels verstanden werden, das in den Figuren 4 - 11 dargestellt ist. In geeigneter Weise wird dieses zweite Beispiel als ein Sendeantennensystem beschrieben. Figur 4 zeigt ein Gruppenantennensystem 120 mit zwei Betriebsarten, das einen planaren Array 122 aus 32 benachbarten Strahlungselementen aufweist, die in einer rechteckförmigen oder Matrix-Anordnung aus vier Spalten C1 - C4 und acht Reihen R1 - R8 aufgebaut ist, wie es am besten in Figur 5 zu sehen ist. Der Array 122 wird durch ein beschränktes Speisesystem 124 angesteuert, das aus einem ersten oder horizontalen Verteilungsnetzwerk 126 und einer Gruppe oder einem Satz 128 von vier zweiten oder vertikalen Verteilungsnetzwerken 130 - 136 besteht. Das horizontale Verteilungsnetzwerk 126 ist durch Verbindungsleitungen 140 -146 mit Eingangsanschlüssen 150 - 156 der Netzwerke 130 - 136 verbunden. Die vertikalen Verteilungsnetzwerke 130 - 136 sind identisch und haben jeweils einen einzelnen Eingangsanschluß und acht Ausgangsanschlüsse, die mit einer Spalte von Strahlungselementen in dem Array 122 verbunden sind. Das vertikale Verteilungsnetzwerk 130 ist typisch und hat einen einzelnen Eingangsanschluß 150 und acht Ausgangsanschlüsse 160&sub1; - 160g, die mit den acht Strahlungselementen der Spalte C1 durch Verbindungsleitungen 170&sub1; - 170g, verbunden sind. Das erste Verteilungsnetzwerk 126 hat zwei Eingangsanschlüsse 176 und 178 und vier Ausgangsanschlüsse 170 - 186.
Eine Ansicht der Vorderseite 190 des Arrays 122 ist in Figur 5 gezeigt. Jedes der Elemente ist ein herkömmliches Hohlleiter-Pyramidenhorn, das eine vertikale Polarisierung verwendet. Jedes Element hat eine Höhe von etwa 118,87 mm (4,68 Zoll) und eine Breite von 99,44 mm (3,915 Zoll), wobei diese Abmessungen auch die Entfernungen zwischen den vertikalen und horizontalen Mitten darstellen. Das Gruppenantennensystem 120 soll eine im wesentlichen gleichförmige (d.h. relativ konstante Verstärkung) Bedeckung für den kontinentalen Teil der Vereinigten Staaten (d.h. 48 benachbarte Staaten) von einem Kommunikationssatelliten in einer geostationären Umlaufbahn in einer Position von 83 Grad West geographischer Länge über den Frequenzbereich von 11,7 bis 12,2 GHz liefern. Die Array-Abmessungen wurden unter Verwendung bekannter Antennenkonstruktionstechniken ausgewählt, die auf Antennenkonstruktionen mit einer Betriebsart anwendbar sind.
Die sich ergebenden Bedeckungs-Strahlungskeulen von dem Array wurden unter Verwendung eines herkömmlichen Computerprogrammes jenes Typs erzeugt, der im Stand der Technik zum Simulieren der Leistungsfähigkeit von Gruppenantennen bekannt ist. Die Strahlungskeulen für die Betriebsarten A und B sind identisch zueinander und sind identisch zu dem Strahlungskeulenmuster, das durch die Konstantverstärkungskurven oder -konturen in Figur 6 gezeigt ist. Das in Figur 6 gezeigte Muster ist ein zusammengesetztes oder mittleres Muster aus drei Frequenzen (11,7, 11,95 und 12,2 GHz). Da die Muster für die Betriebsarten A und B identisch zueinander sind, erkennen Fachleute, daß das Antennensystem 120 von Figur 4 eine Bedeckungsverstärkung für die zwei Betriebsarten über die interessierende Fläche liefert, die vergleichbar ist zu jener, die von Gruppenantennensystemkonstruktionen mit einer Betriebsart erwartet würden. In Figur 6 ist der Umriß des kontinentalen Teils der Vereinigten Staaten durch eine fette Linie 200 gezeigt, die vertikale und die horizontale Mitte der Hauptstrahlrichtung des Antennensystems 120 sind durch die gestrichelten Linien 201 und 202 gezeigt, und die Konstantverstärkungskonturen (in Dezibel) entsprechend 25,0 dB, 26,0 dB, 27,0 dB, 28,0 dB und 29,0 dB sind durch die Linien 205, 206, 207, 208 bzw. 209 gezeigt. Zwei Konstantverstärkungskonturen, die 30,0 dB entsprechen, sind durch die Linien 210 und 211 gezeigt. Der westliche und der östliche Ort der maximalen Verstärkung von 30,84 dB sind durch Kreuze 214 und 215 gezeigt.
Die Array-Anregungen für den Array 122 sind in der Tabelle von Figur 7 aufgelistet. Die Tabelle listet insbesondere die relative Leistung und die relative Phase für jedes Element oder Horn für beide Betriebsarten A und B auf. Die in Figur 7 aufgelisteten Anregungen wurden durch ein herkömmliches Computerprogramm erzeugt, das eine Standard-Iterationssuchtechnik verwendet, die sucht, um die Antennenverstärkung über den interessierenden Bedeckungsbereich für beide Betriebsarten zu optimieren, während gleichzeitig das Erfordernis erfüllt wird, daß die Anregungen der Elemente für die zwei Betriebsarten orthogonal zueinander sind, d.h. die Gleichung (2) oben erfüllt wird. Die Inhalte der Tabelle von Figur 7 sind die Ergebnisse, die von einem solchen iterativen Suchprogramm erzeugt wurden.
Ein Blick in die Tabelle der Figur 7 zeigt, daß jede Reihe oder horizontale Gruppe aus vier Elementen des Arrays 122 auf die Art und Weise zweier Betriebsarten arbeitet und dieselben Parameter für die zwei Betriebsarten aufweist. Zum Beispiel erhält das Element H1 in der Betriebsart A 37, 10 % der Leistung in der ersten Reihe R1, das Element H5 erhält 37,10 % der Leistung in der zweiten Reihe R2, das Element H9 erhält 37,10 % der Leistung in der dritten Reihe R3 usw. In jeder Reihe sind die relative Verteilung der Leistung und die relative Phase dieselben wie in jeder anderen Reihe. Einige Reihen erhalten mehr Gesamtleistung als andere Reihen, innerhalb jeder Reihe ist die relative Leistungsverteilung auf die Elemente jener Reihe jedoch gleich. Dies gilt auch für die Phasenverschiebungen (die in der Tabelle in Grad ausgedrückt sind). Daher hat der Array 122 in der Azimuth-Richtung zwei Betriebsarten und in Elevationsrichtung eine herkömmliche oder einzelne Betriebsart.
Da jede Reihe zwei Betriebsarten mit denselben relativen Verteilungen, die für alle Reihen gemeinsam sind, aufweist, kann das gesamte Verteilungsnetzwerk 124 zur Lieferung der Array- Anregungen aus einem zwei-auf-vier Reihen-Netzwerk 126 mit zwei Betriebsarten gefolgt von vier Spalten-Verteilungsnetzwerken 130 - 136 bestehen. Dies ist die zuvor in Figur 4 gezeigte Anordnung. Fachleute erkennen, daß auch eine komplementäre Verteilung verwendet werden kann, d.h. zwei Spalten-Verteilungsnetzwerke gefolgt von acht zwei-auf-vier Horizontal-Verteilungsnetzwerken. Letztere Anordnung enthält jedoch tatsächlich mehr Koppler als die in Figur 4 gezeigte Anordnung, und daher ist die einfachere Implementierung von Figur 4 bevorzugt.
Ein detailliertes Blockdiagramm einer bevorzugten Konstruktion des zwei-auf-vier-Netzwerkes 126 mit zwei Betriebsarten ist in Figur 8 gezeigt. Das Netzwerk 126 besteht aus vier Kopplern 222 - 228 und zwei Phasenschiebern 230 und 232 und ist eine modifizierte Form einer Butler-Matrix mit N = 4. Für die nicht-verwendeten Anschlüsse der Koppler 222 und 224 werden geeignete Abschlußbauteile 234 und 236 vorgesehen. Die verschiedenen Verbindungsleitungen 240 - 262 zwischen den Eingangsanschlußklemmen 176 und 178, den Kopplern 222 - 228, den Phasenschiebern 230 und 232 und den Ausgangsanschlußklemmen 180 - 186 liefern im wesentliche verlustfreie Verbindungen zwischen den verschiedenen Bauteilen und Anschlüssen innerhalb des Netzwerkes 126. In Figur 8 ist der Kreuz-Kopplungswert (entweder 0,3340 oder 0,4430) von jedem Koppler 222 - 228 aufgeführt und jeder Koppler erteilt dem hierdurch verlaufenden, kreuzgekoppelten Signal eine Phasenverschiebung von -90 Grad. Daher werden 33,4 % der Leistung eines vom Eingangsanschluß 178 in den ersten Koppler 222 gelangenden Signals zur Leitung 242 gekoppelt, wobei das Signal dann durch den Koppler 228 auf die Ausgangsanschlüsse 180 und 182 verteilt wird. Der Koppler 222 erteilt diesem, die Leitung 242 passierenden Signal ebenfalls eine Phasenverschiebung von -90 Grad. Der direkte Ausgang des ersten Kopplers 122 auf der Leitung 240 erhält 66,6 % (100 - 33,40) der Leistung des Signals A. Der Koppler 222 erteilt dem an diesen direkten oder nicht gekoppelten, mit der Leitung 240 verbundenen Ausgang gelieferten Teil des Signals A keine Phasenverschiebung (0 Grad). Die Verteilungsparameter für das zwei-auf- vier-Netzwerk 126 der Figur 8 sind in der in Figur 9 gezeigten Tabelle dargestellt. Diese Tabelle zeigt die Leistungsanteile und die Netto-Phasenverschiebung für jeden Pfad durch das Netzwerk 126.
Eine bevorzugte Konstruktion eines typischen Spalten- Verteilungsnetzwerkes, nämlich des dargestellten Netzwerkes 130, ist in Figur 10 gezeigt. Das Netzwerk 130 hat eine korporative Standard-Speisestruktur, die aus sieben Richtungskopplern 270 - 282 und acht Phasenschiebern 284 - 298 besteht. Die Richtungskoppler 270 - 282 funktionieren auf dieselbe allgemeine Art wie die in Figur 8 gezeigten Koppler und die Kreuz-Kopplungswerte für jeden Koppler sind in Figur 10 gezeigt.
Auf ähnliche Weise sind die Werte der Phasenverschiebung (in Grad) von jedem Phasenschieber 284 - 298 in Figur 10 gezeigt. Die Verteilungsparameter des Netzwerkes von Figur 10, d.h. die relative Leistung und die relative Phase zwischen den Eingängen 150 und den Ausgängen 160&sub1; - 160g sind in der in Figur 11 gezeigten Tabelle dargestellt. An dem nicht-verwendeten Eingangsanschluß von jedem der Richtungskoppler 270 - 282 sind geeignete Abschlußbauteile wie das Bauteil 300 vorgesehen.
Die Netzwerke 126 und 130 - 136 und alle mit diesen verwendeten Verbindungsleitungen und Abschlußlasten können unter Verwendung herkömmlicher Mikrowellenkomponenten hergestellt werden, die Fachleuten auf dem Antennengebiet bekannt sind, wie Hohlleiter- oder TEM-(transversaler elektromagnetischer Modus)-Leitungskomponenten.
Das in Figuren 4 - 11 dargestellte Gruppenantennensystem hat in einer Dimension (die Spaltenrichtung oder die horizontale Richtung, die der parallel zu der gestrichelten Linie 202 in Figur 6 verlaufenden Azimuth-Richtung entspricht) zwei Betriebsarten und in der anderen Dimension (die Spaltenrichtung oder die vertikale Richtung, die der parallel zu der gestrichelten Linie 201 in Figur 6 verlaufenden Elevationsrichtung entspricht) eine Betriebsart. Wir erkennen jedoch, daß die vorliegende Erfindung, wie sie oben beschrieben ist, leicht auf einen Array aus Strahlungselementen erstreckt werden kann, der in beiden Richtungen (Azimuth und Elevation) zwei Betriebsarten aufweist. Ein solches Gruppenantennensystem hätte vier Betriebsarten, und zwar zwei in jeder Dimension. Fachleute werden erkennen, daß zwei Betriebsarten in beiden Dimensionen (insgesamt vier Betriebsarten) keine grundlegenden Prinzipien verletzen und einfach dadurch implementiert werden können, daß die Berechnungen, die in Verbindung mit Gleichung (2) für eine Dimension erforderlich waren, auf zwei Dimensionen erstreckt werden. In einem derartigen Fall hätte der Array vier zusammengesetzte Strahlungskeulen mit demselben (oder im wesentlichen demselben) Fernfeldbedeckungs- oder Strahlungskeulenmuster.
Obwohl die vorstehende Diskussion der Gruppenantennensysteme 20 und 120 diese zwei Systeme primär als Sendesysteme beschrieben hat, werden Fachleute leicht erkennen, daß jedes dieser Systeme auch als Empfangsantenne sehr gut arbeiten wird. Wenn z.B. das Antennensystem 20 als Empfänger verwendet wird, werden die ersten Anschlüsse 34 - 40 des Netzwerkes 32 zu Eingangsanschlüsse wohingegen die Anschlüsse 42 und 44 Ausgangsanschlüsse werden. Das Netzwerk 32 funktioniert dann als eine Einrichtung zum Trennen der durch die Elemente 24 - 30 empfangenen, zusammengesetzten Strahlungskeulen in zwei verschiedene Signale, die effektiv entweder zu dem Ausgangsanschluß 42 oder zu dem Ausgangsanschluß 44 geroutet werden, da das Netzwerk vollständig reziprok ist. Da das Netzwerk 32, wie es in Figur 2 gezeigt ist, nur aus passiven Bauteilen konstruiert ist, ist es reziprok und verlustlos und sämtliche der zuvor erläuterten Prinzipien des Betriebs lassen sich auch auf das System 20 als Empfangsantennensystem anwenden. Selbstverständlich gelten dieselben Zusätze für das in den Figuren 4 - 11 gezeigte Gruppenantennen- System 120.
Ein wichtiger Vorteil der Antennensysteme mit zwei Betriebsarten der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie leicht aus existierenden, gut entwickelten und verstandenen Mikrowellenkomponenten konstruiert werden können, die in der generellen Form von bekannten beschränkten Speisestrukturen organisiert sind. Zur Implementierung der Antennensysteme der vorliegenden Erfindung müssen keine neuen Komponenten oder Bauteile entwickelt oder perfektioniert werden. Ein weiterer Vorteil der Antennensysteme der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie keinen Reflektor erfordern wie die Antennensysteme mit zwei Betriebsarten, die in den zuvor erwähnten US-Patenten Nr. 3,668,567 und 4,117,423 beschrieben sind.
Derzeit wird erwartet, daß die Antennensysteme mit zwei Betriebsarten der vorliegenden Erfindung wahrscheinlich den größten Nutzen in den Mikrowellenfrequenzbereichen haben, d.h. bei Frequenzen im Bereich von 300 MHz bis 30 GHz. In einer typischen Anwendung unserer Antennensysteme mit zwei Betriebsarten nehmen das erste und das zweite informationstragende Signal denselben Frequenzbereich ein, obwohl dies nicht erforderlich ist.
Nach dieser Beschreibung der Erfindung ist zu erkennen, daß Fachleute verschiedene Modifikationen an oder Zusätze zu der bevorzugten Ausführungsform vornehmen können, die zur Erläuterung der Erfindung gewählt wurde.

Claims

1. Direkt abstrahlendes Gruppenantennensystem (20; 120), mit:

- einem Array (22; 122) vonstrahlungselementen (24-30), die so angeordnet sind, daß sie elektromagnetische Strahlung aussenden; und

- einer Verteilungsnetzanordnung (32; 126, 130-136), mit einer Vielzahl von ersten Anschlüssen (42, 44; 176, 178) sowie einer Vielzahl von zweiten Anschlüssen (34-40; 160), die mit den Strahlungselementen (24-30) verbunden sind, wobei die Verteilungsnetzanordnung dazu vorgesehen ist, eine Vielzahl von verschiedenen elektromagnetischen Eingangssignalen, die den ersten Anschlüssen (42, 44; 176, 178) zugeführt werden, auf vorbestimmte Weise auf die zweiten Anschlüsse (34-40; 160) so zu verteilen, daß einzelne Strahlungskeulen von den Strahlungselementen (24-30) ausgehen, wobei eine erste lineare Kombination der einzelnen Strahlungskeulen, die von dem Array (22; 122) von Strahlungselementen (24-30) ausgehen, gemeinsam eine erste zusammengesetzte Strahlungskeule bilden, und wenigstens eine zweite lineare Kombination der einzelnen Strahlungskeulen, die von dem Array (22; 122) von Strahlungselementen (24-30) ausgehen, gemeinsam eine zweite zusammengesetzte Strahlungskeule bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsnetzanordnung (32; 126; 130-136) so ausgelegt ist, daß von dem Array (22; 122) wenigstens zwei unterscheidbare, unabhängige, zusammengesetzte Strahlungskeulen elektromagnetischer Strahlung mit im wesentlichen demselben Fernfeldstrahlungsmuster ausgehen.

2. Gruppenantennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsnetzanordnung (32; 126, 130-136) betriebsmäßig so angeordnet ist, daß sie eines der Eingangssignale an einem der ersten Anschlüsse (42; 176) und ein weiteres der Eingangssignale an einem anderen der ersten Anschlüsse (44; 178) empfängt.

3. Gruppenantennensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsnetzanordnung (32; 126, 130-136) betriebsmäßig so angeordnet ist, daß die die erste zusammengesetzte Strahlungskeule bildenden Array- Anregungen und die die zweite zusammengesetzte Strahlungskeule bildenden Array-Anregungen mathematisch orthogonal zueinander sind.

4. Gruppenantennensystem (20; 120) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Strahlungselemente (24-30) gleich N ist, und daß die mathematische Orthogonalität der Array-Anregungen der ersten und zweiten Strahlungskeule die folgende Gleichung erfüllt:

wobei Ai und Bi lineare Kombinationen von Anregungswerten sind, die den von dem Array (22; 122) erzeugten einzelnen Strahlungskeulen zugeordnet sind, und wobei i* der komplex-konjugierte Ausdruck zu i ist.

5. Gruppenantennensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsnetzanordnung (32; 126, 130-136) wenigstens ein erstes Verteilungsnetz (126) mit vier Anschlüssen (34-40; 180-186) sowie wenigstens vier Signalaufteilungsvorrichtungen (52-58; 222-228) aufweist, die in wenigstens zwei miteinander verbundenen Stufen (64, 66) angeordnet sind, wobei jede Stufe (64, 66) wenigstens zwei derartige Vorrichtungen (52/54, 56/58; 222/224, 226/228) aufweist, jede der Signalaufteilungsvorrichtungen (52-58; 222-228) wenigstens einen Eingang sowie eine Vielzahl von Ausgängen aufweist, die ersten Anschlüsse (42, 44; 176, 178) direkt mit den Eingängen der Vorrichtungen (52, 54; 222, 224) der ersten (64) der beiden Stufen (64, 66) verbunden sind, die Ausgänge der Vorrichtungen (52, 54; 222, 224) der ersten Stufe (64) mit entsprechenden von den Eingängen der Vorrichtungen (56, 58; 226, 228) der zweiten (66) der beiden Stufen (64, 66) verbunden sind, und die zweiten Anschlüsse (34-40; 180-186) mit dem Ausgang der Vorrichtungen (56, 58; 226, 228) der zweiten Stufe (66) in Verbindung stehen.

6. Gruppenantennensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Verteilungsnetzwerk (126) wenigstens zwei passive Phasenschiebervorrichtungen (60, 62; 230, 232) umfaßt, die von den Signalaufteilungsvorrichtungen (52-58; 222-228) verschieden sind, und daß ein erstes Paar der zweiten Anschlüsse (34, 40; 180, 186) direkt mit einem ersten Paar von Ausgängen der zweiten Stufe (66) verbunden ist und ein zweites Paar der zweiten Anschlüsse (36, 38; 182, 184 über die beiden Phasenschiebervorrichtungen (60, 62; 230, 232) mit einem zweiten Paar von Ausgängen der zweiten Stufe (66) verbunden ist, die von dem ersten Paar von Ausgängen (34, 40; 180, 186) der zweiten Stufe (66) verschieden und getrennt sind.

7. Gruppenantennensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilungsnetzwerk ferner wenigstens vier zweite Verteilungsnetzwerke (130-136) umfaßt, von denen jedes einen Eingangsanschluß (150) aufweist, der mit einem entsprechenden von den vier Ausgangsanschlüssen (180-186) des ersten Verteilungsnetzwerkes (126) verbunden ist, wobei jedes der vier zweiten Verteilungsnetzwerke (130-136) wenigstens eine Vielzahl von Ausgangsanschlüssen (160) aufweist, die mit entsprechenden von den Strahlungselementen verbunden sind, und daß die Signalaufteilungsvorrichtungen Richtungskoppler (270-282) sind.

8. Gruppenantennensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsnetzanordnung (32; 126, 130-136) nur passive reziproke Vorrichtungenbeinhaltet.

9. Gruppenantennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsnetzanordnung (32; 126, 130-136) wenigstens vier Richtungskoppler (52-58; 222-228; 270-282) und wenigstens vier passive Phasenschiebervorrichtungen (60, 62; 230, 232; 284-298) umfaßt, wobei die Koppler (52-58; 222-228; 270-282) in wenigstens einer ersten und einer zweiten Stufe (64, 66) angeordnet sind, die miteinander verbunden sind, wobei die ersten Anschlüsse (42, 44; 176, 178; 150) direkt mit den Eingängen der Koppler (52, 54; 222, 224; 270) der ersten Stufe (64) verbunden sind und die zweiten Anschlüsse (34-40; 180-186; 160) mit den Ausgängen der zweiten Stufe (66) vonkopplern (56, 58; 226, 228; 276-282) in Verbindung stehen, wobei die Phasenschiebervorrichtungen (60, 62; 230, 232; 284-298) zwischen wenigstens ausgewählten von den zweiten Anschlüssen (36, 38; 182, 184; 160) und ausgewählten aus den Ausgängen der zweiten Stufe (66) angeordnet sind.

10. Gruppenantennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es dazu ausgelegt ist, einen Teil einer jeden von wenigstens zwei zusammengesetzten Strahlungskeulen elektromagnetischer Strahlung in demselben allgemeinen Frequenzbereich und mit derselben Polarisation zu empfangen, wobei die Netzwerkanordnung (32; 126; 130-136) die beiden zusammengesetzten Strahlungskeulen, die von den Strahlungselementen empfangen werden, in wenigstens zwei verschiedene Signale auftrennt, die jeweils an verschiedenen von den ersten Anschlüssen (42, 44; 176, 178) ausgegeben werden, wobei jedes derartige unterschiedliche Signal von einer anderen der Strahlungskeulen abgeleitet wird.

11. Gruppenantennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzwerkanordnung (32; 126; 130-136) wenigstens vier Signalaufteilungsvorrichtungen (52-58; 222-228; 270-282) umfaßt, die in wenigstens zwei Stufen (64, 66) angeordnet sind, wobei jede Stufe (64, 66) wenigstens zwei derartige Vorrichtungen (52/54, 56/58; 222/224, 226/228; 272/274, 276-282) umfaßt, jede der Signalaufteilungsvorrichtungen (52-58; 222-228; 270-282 wenigstens zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist, die ersten Anschlüsse (42, 44; 176, 178; 150) die Ausgänge der Vorrichtungen (52, 54; 222, 224; 270-274) der zweiten (64) der beidenstufen (64, 66) sind, jeder der Ausgänge der Vorrichtungen (56, 58; 226, 228; 276-282) der ersten (66) der beiden Stufen (64, 66) direkt mit den Eingängen der Vorrichtungen (52, 54; 222, 224; 272, 274) der zweiten Stufe (64) verbunden ist und die zweiten Anschlüsse (34-40; 180-186; 160) mit den Eingängen der Vorrichtungen (56, 58; 226,228; 276-282) der ersten Stufe (66) in Verbindung stehen.

12. Gruppenantennensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufteilungsvorrichtungen Richtungskoppler (52-58; 222-228; 270-282) sind.

13. Gruppenantennensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzwerkanordnung (32; 126; 130-136) wenigstens zwei passive Phasenschiebervorrichtungen (60, 62; 230, 232; 284-298) umfaßt, die zwischen ausgewählten der zweiten Anschlüsse (36, 38; 182, 184; 160) und ausgewählten der Eingänge der Vorrichtungen (56, 58; 226, 228; 276-282) der ersten Stufe (66) angeordnet sind.

14. Gruppenantennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß

die Netzwerkanordnung (32; 126; 130-136) und das Array (22; 122) von Strahlungselementen (24-30) so angeordnet sind, daß sie in zwei Betriebsarten A und B arbeiten, wobei jede Betriebsart A, B einer anderen der zusammengesetzten Strahlungskeulen zugeordnet ist, und daß

das Array (22; 122) eine gerade Anzahl von Strahlungselementen (24-30) sowie Arrayfaktoren EA und EB aufweist, die jeweils den Betriebsarten A und B zugeordnet sind, die die folgenden Gleichungen erfüllen:

und

wobei k = N/2, und

wobei µ = (π d sin θ) / λ;

wobei λ = Signalwellenlänge,

θ = Strahlauslenkwinkel, und

d = Abstand zwischen Strahlungselementen.

15. Gruppenantennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß

das Array (22; 122) eine ungerade Anzahl N von Strahlungselementen (24-30) sowie Arrayfaktoren EA und EB aufweist, die jeweils den Betriebsarten A und B zugeordnet sind, die die folgenden Gleichungen erfüllen:

und

wobei L = (N+1)/2, und

wobei µ = (π d sin θ) / λ;

wobei λ = Signalwellenlänge,

θ = Strahlauslenkwinkel, und

d = Abstand zwischen Strahlungselementen.

16. Gruppenantennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es zum gleichzeitigen Ausstrahlen oder Empfangen von wenigstens zwei verschiedenen zusammengesetzten Strahlungskeulen elektromagnetischer Strahlung ausgelegt ist, die dieselbe Polarisation aufweisen und sich im selben allgemeinen Mikrowellenfrequenzbereich befinden sowie mathematisch orthogonal zueinander sind, wobei die wenigstens beiden ersten Anschlüsse (42, 44; 176, 178; 150) dazu vorgesehen sind, wenigstens zwei gleichzeitige Transformationen an elektromagnetischer Energie durchzuführen, die mit den Strahlungskeulen verbunden ist, wenn diese Energie zwischen den Elementen (24-30) und den beiden ersten Anschlüssen (42, 44; 176, 178; 150) übertragen wird, was es ermöglicht, daß jede der beiden verschiedenen Strahlungskeulen eindeutig mit einem anderen, Informationen tragenden Signal verbunden ist, das an den ersten Anschlüssen (42, 44; 176, 178; 150) vorhanden ist.

17. Gruppenantennensystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsnetzanordnung (32; 126; 130-136) so angeordnet ist, daß die beiden gleichzeitigen Transformationen es erlauben, daß jede der beiden verschiedenen Strahlungskeulen eindeutig einem anderen, Informationen tragenden Signal zugeordnet ist, das an einem anderen der beiden ersten Anschlüsse (42, 44; 176, 178; 150) anliegt, so daß ein Informationen tragendes Signal nur an einem der beiden Anschlüsse (42, 44; 176, 178; 150) vorhanden ist, und ein anderes, Informationen tragendes Signal nur an dem anderen der beiden Anschlüsse (42, 44; 176, 178; 150) vorhanden ist.

18. Gruppenantennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Tatsache, daß die zusammengesetzten Strahlungskeulen im wesentlichen dasselbe Fernfeldstrahlungsmuster aufweisen, dadurch erreicht wird, daß die der ersten zusammengesetzten Strahlungskeule zugeordneten Anregungswerte ai der Arrayelemente sowie die der zweiten zusammengesetzten Strahlungskeule zugeordneten Anregungswerte bi der Arrayelemente im wesentlichen Spiegelbilder voneinander sind, so daß für das i-ten Strahlungselement (24-30) von einer Gesamtzahl von N Strahlungselementen (24-30) gilt:

a&sub1; = bN+1-i ; für i = 1...N.